目标检测学习笔记3——Yolo1 Yolo论文解读

文章目录

  • 1.引言
  • 2.Yolo v1论文
    • 摘要
    • 1.介绍
    • 2.一个统一的目标检测框架
      • 2.1 网络设计
      • 2.2 训练阶段
      • 2.3 推断预测阶段
      • 2.3 Yolo的缺陷
    • 3.一些数据对比

1.引言

  • Yolo1,2,3的作者是Joseph Redmon.
  • Yolo是one-stage算法,即无需提取候选框、没有复杂的上下游处理工作,而是图片输入后经过网络,一次性往前推段得到bounding box的定位以及分类结果。是端到端训练优化。

优点:

  1. 将目标检测问题当作回归问题,无需提取候选框,是单阶段的。
  2. 速度快
  3. 可以捕捉上下文信息,recall高、迁移泛化好

缺点:

  1. 小物体检测效果差
  2. 定位误差高

训练阶段:

  • 图片输入到网络中,输出7 * 7 * 30的向量
  • 计算损失反向传播调整网络权重

预测阶段:

  • 图片输入到网络中,得到98个框的20维向量
  • 对于类别1,找到高于阈值的框,最高的框A拿出来,计算剩余框与框A的IOU,高于某阈值的就去掉
  • 对于类别2,重复以上步骤
  • 最后剩下的框就是最终的预测框了

2.Yolo v1论文

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这是一个统一的、实时的目标检测框架,正如其名字一样,你只需要看一次,就可以得到目标检测的结果。一次性向前推段bbox的位置和分类置信度,优化也是端到端的。

摘要

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  • Yolo框架很快,每秒能处理155帧(每秒30帧就算是实时检测了)。并且mAP(平均准确率)还可以保持很高。迁移泛化能力也很强,用训练好的模型去识别油画也能进行检测。

1.介绍

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  • 一些方法比如RCNN是分阶段去进行目标检测的。第一阶段是提取潜在的候选框,第二阶段是用分类器去筛选每个框、修正位置。这个方法很慢也很难去优化,因为每个步骤都是分开的。

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  • 于是作者将目标检测视为单一回归问题,直接从图像中识别出候选框和分类。如图一所示,仅仅用一个卷积神经网络就预测出了多个候选框和分类置信度。训练与优化一气呵成

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在这里插入图片描述目标检测学习笔记3——Yolo1 Yolo论文解读_第8张图片

优点很多:

  1. 超级快!因为作者将目标检测问题重新定义为了回归问题,所以流程一点也不复杂。
  2. Yolo是分析全图信息,误把背景识别为物体的错误更小。而不像比如Fast RCNN 误把背景识别为物体,因为它看不了全局更大的信息(Fast RCNN是用anchor去某一像素点生成一系列的候选框)
  3. 泛化能力强。在普通图片数据集上训练,在艺术图片等新领域上识别时,也表现不错。

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也有一定的缺点:

  1. 准确率不是最高的,稍有下降,但这也是速度和准确率权衡的结果。
  2. 识别小物体的性能差。

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2.一个统一的目标检测框架

Yolo将多个阶段的(先识别候选框,再对候选框进行分类)识别框架流程合并为一个单独的网络。这个网络输入图片,直接同时输出每个预测框的位置和分类置信度。
这个网络是端到端的、实时检测的。

  • 首先将图片划分为S×S个grid(网格)
  • 如果目标物体的GT框中心落在了网格A中,那么网格A就负责检测这个物体,检测这个目标物体的bbox就有网格A生成。
  • 每个网格需要预测B个候选框以及候选框置信度。置信度是指:有多确定这个候选框包含了物体,以及这个框的位置预测得有多准确。
  • 置信度计算公式 P r ( O b j e c t ) ∗ I O U p r e d t r u t h Pr(Object)*IOU^{truth}_{pred} Pr(Object)IOUpredtruth P r ( O b j e c t ) = 0 或 者 1 Pr(Object)=0或者1 Pr(Object)=01
  • 如果没有物体在这个网格内,那么置信度分数为0;如果有,那么置信度分数就是predict bbox和GT bbox的IOU。

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  • 每个bbox会产生5个预测值 x , y , w , h , c o n f i d e n c e x,y,w,h,confidence x,y,w,h,confidence。即预测框的四个坐标和一个置信度分数。
  • 这五个值都在0~1之间。 ( x , y ) (x,y) (x,y)是相对这个网格的坐标, w 和 h w和h wh是相对整个图片的宽和高。
  • 每个网格预测的类别有 C C C个,是条件概率,是假设负责预测某物体的条件下是某类别的概率。
  • 每个网格只预测一组条件类别概率,这个网格产生的所有bbox都共享这个条件类别概率。

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  • 在测试阶段,将候选框的置信度和条件类别概率相乘,成为最终的具体的分类置信度分数,这个分数既表明了分类的精度,又表明了定位的精度。

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在论文中,S=7,B=2,C=20,因此每个网格会产生30个分数,共有49个网格。网络的输出向量就是7 * 7 * 30。

2.1 网络设计

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  • 使用卷积网络去实现的Yolo. 卷积层去提取特征,全连接层去进行预测和输出分类概率和坐标。
  • 使用GoogleNet模型进行图片分类训练。有24层卷积层,后接2个全连接层。不用GoogleNet中所使用的inception module,我们直接在1×1的reduction layer后接3×3卷积层。如下图所示。

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如果使用更小型的网络,不用24层,用9层,且卷积核数量减少,速度会更快。

2.2 训练阶段

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  1. 在ImageNet 1000类数据集上预训练一个分类模型,使用图3的前20层卷积层,接1个average-pooling 层和1个全连接层。
  2. 保留这个权重再去训练目标检测模型。
  3. 在训练好的模型上加4个卷积层和两个全连接层(这些层的参数随机初始化)
  4. 检测一般需要细粒度的视觉信息,因此我们将输入的分辨率从224×224 提升到448×448.
  5. 网络输出预测框坐标和概率。最后一层用线性激活函数,其他层都用leaky rectified linear activation。
  6. 使用平方和误差作为损失函数。但是这个误差对大小框、定位和分类、包含物体和不包含物体的框都是一视同仁的,这样实际上不好,因此为了加强定位误差损失,削弱不包含GT的预测框的confidence损失,加入了两个参数。对于大小框,计算h和w的平方根,削弱大框的误差。

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在训练阶段,我们只希望每个物体只有一个预测框。因此负责检测物体的网格产生的候选框,我们保留与GT框最大IOU的候选框作为预测框。
Yolo和Faster RCNN这样的模型不一样,没有anchor的概念,在Faster RCNN中,anchor的数量、长宽比以及大小都是固定了的,但是yolo没有。yolo是在训练过程中逐渐特化的。

损失函数
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共有5个损失组成:

  1. 负责检测物体的候选框的中心点位置误差;
  2. 负责检测物体的候选框的宽高定位误差;
  3. 负责检测物体的候选框的置信度误差;(置信度的标签值是该候选框与GT的IOU)
  4. 不负责检测物体的候选框的置信度误差;(标签值为0,因为本来就不应该有它)
  5. 负责检测物体的网格的分类误差。

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训练参数的设定:

  • 训练135epochs
  • 在开始的epochs,学习率从 1 0 − 3 10^{-3} 103缓慢提升到 1 0 − 2 10^{-2} 102;因为一开始学习率高的话会因为不稳定的梯度导致发散。
  • 然后75个epochs用 1 0 − 2 10^{-2} 102
  • 然后30个epochs用 1 0 − 3 10^{-3} 103
  • 最后30个epochs用 1 0 − 4 10^{-4} 104

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为了避免过拟合,使用了dropout和很广泛的数据增强。在全连接层随机drop百分之50的神经元,然后数据会有一些缩放、调整曝光饱和度的数据增强行为。

2.3 推断预测阶段

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2.3 Yolo的缺陷

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  • 缺陷1:每个grid cell只能预测2个bbox,且只能有一个分类,当好多个小物体都挤在一个grid cell里时,就很难都识别出来。
    目标检测学习笔记3——Yolo1 Yolo论文解读_第33张图片
  • 缺陷2:在新的或不寻常高宽比的图像域里,泛化能力是受限的。
  • 缺陷3:这个模型是使用较粗粒度的特征,因为有较多的池化层或下采样层,所以会导致空间信息的缺失。
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  • 小框产生的错误会对IOU有更大的影响。主要错误来源是定位误差。

3.一些数据对比

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  1. Fast YOLO是实时最快的
  2. YOLO是实时最准的
  3. Fast(er) R-CNN准确率最高,但是没有速度较慢

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  1. Fast R-CNN的错误中,误把背景识别为目标物体的误差最高
  2. YOLO的错误中,定位误差最高

目标检测学习笔记3——Yolo1 Yolo论文解读_第37张图片

  • YOLO对大物体的检测准确率更高,检测小物体的能力更差。

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